Brannsikring av fleretasjes trebygg ved bruk av aktive tiltak

227 Pages·2015·5.06 MB·Norwegian

by  Anders Brandser Ressheim

Brannsikring av fleretasjes trebygg ved
bruk av aktive tiltak
Fokus på vanntåkesystemer
Anders Brandser Ressheim
Bygg- og miljøteknikk
Innlevert: juni 2015
Hovedveileder: Harald Landrø, BAT
Medveileder: Jon Ivar Belghaug Knarud, BAT
Dag Denstad, Rambøll
Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet
Institutt for bygg, anlegg og transport

NORGES TEKNISK-

NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET
INSTITUTT FOR BYGG, ANLEGG OG TRANSPORT

Oppgavens tittel: Dato: 6.6.2015
Brannsikring i fleretasjes trebygg ved bruk av aktive tiltak – Med Antall sider (inkl. bilag): 168 (225)
fokus å vanntåke
Masteroppgave X Prosjektoppgave
Navn: Anders Brandser Ressheim
Faglærer/veileder: Harald Landrø
Eventuelle eksterne faglige kontakter/veiledere: Jon Ivar Belghaug og Dag Denstad

Ekstrakt:
Oppgaven omhandler branndimensjonering i høye trehus med eksponerte treflater ved bruk av
vanntåkesystemer. Disse slokkesystemene er relativt nylig tatt i utstrakt bruk i boliger og lignende hvor
forkullende branner er dominerende. Vanntåke bekjemper brann ved flere slokkemekanismer sammenlignet
med sprinkler, men disse går delvis på bekostning av andre mekanismer og trenger ikke nødvendigvis å være en
fordel. Komparativ feiltreanalyse kan benyttes for å estimere pålteligheten i vanntåkesystemer ved bruk av
komponentdata fra lignende systemer. Resultatene kan benyttes videre for å vekte pålitelighetsstatistikk for
sprinklersystemer, som inngår i beregningen av sannsynligheten for global strukturell kollaps. Oppgaven har
forsøkt å estimere sannsynlighet for feil ved brann i et høyt trebygg ved å ta hensyn til brannspredning,
antennelsesfare, overtenning, pålitelighet i branndører med mer. Kvantitativ beregning av sannsynlighet for
global strukturell kollaps kan benyttes for å finne forholdet mellom aktiv- og passiv brannskring.

Stikkord:
1. Brann i høye massivtrehus
2. Pålitelighet i vanntåkesystemer
3. Strukturell brannsikkerhet
4. Forhold mellom aktiv- og passiv brannsikring
_____________________________
Anders Brandser Ressheim

Forord
Denne masteroppgaven er et obligatorisk og avsluttende arbeid ved det femårige
sivilingeniørprogrammet Bygg- og miljøteknikk ved NTNU. Masteroppgaven er skrevet ved Institutt for
bygg, anlegg og transport innenfor faggruppe for Bygnings- og materialteknikk.
Oppgaven er utformet i samarbeid med:
 Faglig hovedveileder Harald Landrø, professor II ved NTNU
 Sekundær veileder Jon Ivar Belghaug Knarud, PhD student og vit.ass ved NTNU
 Sekundær veileder Dag Denstad, sivilingeniør ved Rambøll i Trondheim
Bakrunnen for oppgaven har vært en forespørsel fra Rambøll AS i Trondheim om å skrive en oppgave i
forbindelse med en fullskala branntest av en representativ hybelenhet for SiTs nye studentboliger i
massivtre på Moholt. Tema for oppgaven ble til via samtaler med Rambøll AS og faglig veileder Harald
Landrø. Enkelte fokusområder har blitt endret eller omprioritert underveis i prosessen. Dette har årsak i
litteratur som ble oppdaget underveis og begrensede forhåndskunnskaper om temaet.
For hjelp og veiledning i forbindelse med framstilling av min oppgave vil jeg spesielt takke:
 Harald Landrø (NTNU/Tresenteret)
 Jon Ivar Belghaug Knarud (NTNU)
 Dag Denstad (Rambøll)
 Björn Magnusson (Rambøll)
 Arnstein Fedøy (Sprinkler- & Vanntåkesystemer AS)

Trondheim 6. juni 2015

. .
Anders Brandser Ressheim

III
Sammendrag
Krav om bæreevne og stabilitet gjennom et fullstendig brannforløp i høye trehus med eksponerte
treflater gjør det nødvendig å slokke en potensiell brann. Ved bruk av ubrennbare overflater som er
preakseptert løsning er det tilstrekkelig å dimensjonere med en bæreevne på 90 min og derfor antas det
at et brannforløp maksimalt kan vare i 90 min. Vanntåkesystemer bekjemper brann ved å angripe alle
sider i branntrekanten, med oksygenfordriving, fortynning av brennbare gasser og
varmestråleblokkering som ekstra slokkemekanismer sammenlignet med tradisjonelle sprinkler.
Redusert stråling kan gi forbedrede rømnings- og slokkeforhold og redusere forkullingsraten. Fortynning
av pyroliserende gasser kan redusere brannspredning og å redusere oksygenkonsentrasjonen har
begrenset effekt i forkullende branner. Små vanndråper har grunnet mindre kinetisk energi og større
overflatespenning ekstra utfordringer med å penetrere og væte forkullingssonen direkte, som er den
viktigste mekanismen for bekjempelse av forkullende branner. For å kunne bekjempe en brann effektivt
må aktiveringen skje tidlig og som tilsiktet, før forkullingen blir relativt dyp og før eksponerte treflater
bidrar til økt brannspredning. Pålitelighet for oppstart kan estimeres ved komparativ feiltreanalyse ved
bruk av komponentdata fra lignende systemer. Resultatet fra beregningene kan brukes for å vekte
statistikk for sprinklersystemer. Det har vist seg at kontrollpanel og pumpesystem inneholder kritiske
komponenter som har mye å si for påliteligheten i hele systemet. Påliteligheten kan økes ved å endre
oppbygningen i systemet, for eksempel ved å innføre aggregat som ekstra strømtilførsel. Påliteligheten
for effektiv operasjon verifiseres gjennom fullskala branntester hvor parametrene i testen er
begensende for bruksområdet.
For å bestemme forholdet mellom aktiv- og passiv brannsikring kan det gjøres en risikovurdering av
opprinnelig branndesign. Sannsynlighet for brannspredning og slokking analyseres for ulike
dimensjonerende brannscenarioer for å sikre at forholdene ligger til rette for at brannen kan slokkes.
Sannsynlighet for global strukturel kollaps kan estimeres og settes opp mot en maksimal grenseverdi
ved å kombinere sannsynligheten for alvorlig brann og feil ved brann i analysebyggverket. Førstnevnte
kan beregnes ved å analysere bruksområdet, årsaker, konsekvenser, barriærer og sannsynlighetene for
disse. Oppgaven har gjort et forsøk på å estimere sannsynligheten for feil ved brann i et høyt trebygg
ved å ta hensyn til antennelsesfare, variabel brannlast, areal, sannsynlighet for overtenning,
brannstartssted og pålitelighet i branndører.
Det ble funnet at pålitelighet i vanntåkesystemet, brannvesenets utrykningstid og sannsynlighet for
overtenning har spesielt mye å si for strukturell sikkerhet i høye trehus. Det bør også tilstrebes å holde
antennelsesfaren og den variable brannlasten som tilsiktet. Dersom risikovurderingen viser at
brannsikkerheten ikke er tilstrekkelig kan det tilføyes ytterlige aktive- eller passive tiltak og effekten av
disse kan estimeres kvalitativt eller kvantitativt. Det ble kvantitativt funnet at bruk av selvlukkende
branndører kan øke strukturell sikkerhet betraktelig selv om påliteligheten i en enkelt dør ikke
nødvendigvis er veldig høy. Bruk av brannimpregnering kan forhindre produksjon av pyrolyserende
gasser i eksponerte treoverflater og dermed redusere sannsynligheten for voldsom flammespredning ut
av åpninger. Ved bruk av pigmentfri impregnering kan eksponert treverk få tilnærmet ubrennbare
egenskaper, selv om forkulling ikke vil forhindres.
IV
Summary
The requirement of load carrying capacity and stability through an entire fire development in tall timber
buildings with combustible surfaces makes it necessary to extinguish a potential fire. While using
incombustible surfaces it is pre accepted to dimension the support structure with a 90 min fire
resistance. Therefore it is assumed that the maximum acceptable duration of an entire fire development
also is 90 min. Water mist systems fight fire while attacking all three sides of the fire triangle. These
systems have extra fire-fighting mechanisms compared to traditional sprinklers in form of displacement
of oxygen, dilution of flammable gases and blocking of radiation. Reduced radiation may result in better
escape- and extinguishing conditions and dilution of flammable gases can reduce the spread of fire.
Reduced oxygen concentration has limited effect on charring fires.
The use of relatively small water droplets results in less kinetic energy and larger surface tension and
therefore bigger challenge reaching and wetting the fuel bed, which is the most efficient way to fight
these kinds of fires. To ensure efficient fire-fighting the water mist system must activate early and as
intended, before the charred layer get relatively deep and the combustible linings contributes to
increased fire spread. The reliability of activation in these systems can be estimated using comparative
fault tree analysis of a water mist system and a reference sprinkler system, while using component data
from similar systems. The results in this thesis have shown that the control panel and pump system
contains components that have a large effect on the total system reliability. The reliability can be
improved by changing the structure in the system, for example by using an extra power- or water
supply. The reliability considering efficient operation is verified through full scale fire tests where the
application is limited to the parameters in the tests.
A risk assessment can be done to decide the relationship between active- and passive fire measures. The
probability of insufficient fire spread and extinguishing must be analyzed in several reasonable worst
case fire scenarios to ensure that the fire design is sufficient. The probability of global structural collapse
can be estimated and compared with a maximum limit value. This probability is estimated by combining
the probability of a severe fire with the probability of global structural collapse in a current building as a
result of a severe fire. The former can be calculated by analyzing the application, causes, consequences,
barriers and the probabilities of these. In this thesis it has been made an attempt to estimate the
probability of global structural collapse in a specific tall timber building as a result of fire while taking
account to ignition hazards, place of ignition, variable fire load, area, probability of flashover and
reliability of self-closing fire doors.
It has been found that the reliability of the water mist system, response time of the fire service and
probability of flashover is the major factors affecting structural fire safety in tall timber buildings. To
ensure sufficient structural fire safety it is also important to keep the probability of ignition and the
variable fire load as intended. If the risk assessment shows that the fire safety is insufficient there can be
added active- or passive measures and the effects of these can be estimated qualitatively or
quantitatively. In a risk assessment of a tall timber building in this thesis it has been found quantitatively
that the use of self-closing fire doors can reduce the probability for global structural collapse
significantly, even if the reliability in one self-closing door is not relatively high. Fire proofing of exposed
V
timber surfaces can prevent production of flammable gases and therefore reduce the probability of
severe fire spread out of a room in fire. While using fire proofing with no pigments exposed timber can
get noncombustible like properties, but charring can’t be prevented.
Innhold
Forord........................................................................................................................................................... III
Sammendrag ................................................................................................................................................ IV
Summary ....................................................................................................................................................... V
Figurliste ..................................................................................................................................................... XIV
Tabelliste ................................................................................................................................................... XVII
1. Introduksjon .......................................................................................................................................... 1
1.1. Introduksjon til kapitlet ................................................................................................................. 1
1.2. Bakgrunn ....................................................................................................................................... 1
1.3. Problemstilling .............................................................................................................................. 2
1.4. Målsetting ..................................................................................................................................... 2
1.4.1. Resultatmål ........................................................................................................................... 2
1.4.2. Effektmål ............................................................................................................................... 3
1.4.3. Suksesskriterier ..................................................................................................................... 3
1.5. Omfang og begrensninger ............................................................................................................ 3
1.5.1. Bygningstype og bruksområder ............................................................................................ 3
1.5.2. Brann ..................................................................................................................................... 3
1.5.3. Brannsikringstiltak................................................................................................................. 4
1.6. Leserveiledning ............................................................................................................................. 4
1.6.1. Målgruppe ............................................................................................................................. 4
1.6.2. Rapportens oppbygning ........................................................................................................ 4
1.7. Definisjoner ................................................................................................................................... 5
1.7.1. Forkortelser ........................................................................................................................... 5
1.7.2. Begreper ................................................................................................................................ 5
2. Metode .................................................................................................................................................. 7
2.1. Introduksjon til kapitlet ................................................................................................................. 7
2.2. Litteratursøk .................................................................................................................................. 7
2.3. Risikovurdering ............................................................................................................................. 7
VI
2.4. Programvare ................................................................................................................................. 8
Del 1: Litteraturstudie ................................................................................................................................... 9
3. Brann i høye trehus ............................................................................................................................... 9
3.1. Introduksjon til kapitlet ................................................................................................................. 9
3.2. Byggemateriale ............................................................................................................................. 9
3.2.1. Massivtre ............................................................................................................................... 9
3.2.2. Limtre .................................................................................................................................. 11
3.3. Bæresystemer ............................................................................................................................. 11
3.3.1. Bærende veggsystem .......................................................................................................... 11
3.3.2. Søyle- og bjelkesystem ........................................................................................................ 11
3.4. Brann i tre ................................................................................................................................... 11
3.4.1. Europeisk klassifiseringssystem for materialers egenskaper ved brann ............................ 11
3.4.2. Degradering av tre ved pyrolyse og forkulling .................................................................... 13
3.4.3. Forkullingsrate .................................................................................................................... 15
3.4.4. Passive tiltak ........................................................................................................................ 18
3.4.5. Rombrann ........................................................................................................................... 23
4. Branndimensjonering i høye trehus.................................................................................................... 30
4.1. Introduksjon til kapitlet ............................................................................................................... 30
4.2. Byggteknisk forskrift ................................................................................................................... 30
4.3. Valg av prosjekteringsmetode .................................................................................................... 30
4.4. Brannsikkerhetsstrategi .............................................................................................................. 31
4.4.1. Risikoklasse ......................................................................................................................... 31
4.4.2. Brannklasse ......................................................................................................................... 32
4.5. Brannenergi ................................................................................................................................. 34
4.5.1. Konservativ veiledning ........................................................................................................ 34
4.5.2. Beregning av spesifikk brannenergi .................................................................................... 35
4.5.3. Preakseptert løsning med sprinklersystem basert på brannenergi og bruttoareal ............ 35
4.5.4. Oppsummering ................................................................................................................... 36
5. Vanntåkesystemer .................................................................................................................................. 37
5.1. Introduksjon ................................................................................................................................ 37
5.2. Generelt om vanntåke ................................................................................................................ 37
5.2.1. Definisjon av vanntåke ........................................................................................................ 37
VII
5.2.2. Status for vanntåkesystemer .............................................................................................. 37
5.2.3. Forhold som påvirker bruksområdet .................................................................................. 37
5.3. Oppbygning av vanntåkesystemer: Komponenter ..................................................................... 39
5.3.1. Vanntåkedyser .................................................................................................................... 40
5.3.2. Rørsystem ........................................................................................................................... 42
5.3.3. Vannforsyning ..................................................................................................................... 42
5.4. Ulike typer vanntåkesystemer .................................................................................................... 42
5.4.1. Våtsystemer ........................................................................................................................ 43
5.4.2. Tørrsystemer ....................................................................................................................... 43
5.4.3. Deluge- systemer ................................................................................................................ 43
5.4.4. Pre-action systemer ............................................................................................................ 43
5.5. Klassifisering med tanke på trykk ............................................................................................... 43
5.5.1. Lavtrykkvanntåkesystemer ................................................................................................. 44
5.5.2. Middelstrykkvanntåkesystemer .......................................................................................... 44
5.5.3. Høytrykksvanntåkesystemer ............................................................................................... 44
5.6. Klassifisering av vanntåkesystemer basert på oppbygning ........................................................ 44
5.7. Slokkemekanismer ...................................................................................................................... 44
5.7.1. Absorbsjon av varme .......................................................................................................... 46
5.7.2. Fortrenging av oksygen ....................................................................................................... 46
5.7.3. Fortynning av brennbare gasser ......................................................................................... 47
5.7.4. Absorpsjon av strålevarme ................................................................................................. 47
5.7.5. Kinetiske effekt ................................................................................................................... 47
5.7.6. Evaluering av slokkemekanismers viktighet for bejempelse av klasse A branner .............. 47
5.8. Faktorer som påvirker effekten av vanntåke .............................................................................. 48
5.8.1. Vanntåkekarakteristikk ....................................................................................................... 48
5.8.2. Ventilasjonsforhold ............................................................................................................. 52
5.8.3. Romgeometri ...................................................................................................................... 54
5.9. Pålitelighet .................................................................................................................................. 55
5.9.1. Generelt .............................................................................................................................. 55
5.9.2. Feil og årsak......................................................................................................................... 55
5.9.3. Beregning av pålitelighet .................................................................................................... 56
5.9.4. Tiltak for økt pålitelighet ..................................................................................................... 59
VIII